Базовые несущие конструкции электронных средств первого уровня

БАЗОВЫЕ НЕСУЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ПЕРВОГО УРОВНЯ

1. Выбор варианта базовой конструкции ячейки

На современном этапе развития РЭА важными задачами являются улучшение качества работы радиоэлектронных средств с одновременным повышением их надежности, уменьшением массы, габаритов и потребляемой энергии при минимальных сроках и затратах на этапах проектирования и производства аппаратуры. Как уже отмечалось, вся РЭА подразделяется на ряд конструктивных Уровней, причем каждый из них характеризуется специфическими методами проектирования и изготовления.

В процессе проектирования ячеек необходимо решить следующие задачи: выбрать вариант конструкции ячейки; рационально скомпоновать конструктивно-технологические зоны на печатных платах ячеек; выбрать типоразмеры печатных плат; определить тип электрического соединителя; выбрать элементы крепления, контроля и фиксации; определить метод изготовления печатных плат; выбрать компоновку ИС, МСБ и других ЭРЭ на печатной плате; обеспечить нормальные тепловые режимы; защитить ячейки от механических перегрузок и т.д. Очевидно, что решение поставленных задач оказывает влияние на технологию изготовления аппаратуры и в дальнейшем на условиях ее эксплуатации.

С другой стороны, специфика производства аппаратуры, требующая специально разработанных технологических процессов, связана с наличием высокопроизводительного технологического оборудования и в конечном итоге с производственными возможностями. Как отмечается в [2], указанная взаимозависимость меняет традиционные формы взаимоотношений разработчиков схемы, конструкторов и технологов, т.е. разработка РЭА предусматривает комплексное решение схемотехнических, конструкторских и технологических вопросов.

В настоящее время в основу проектирования РЭА заложен функционально-модульный метод. Он позволяет повысить надежность аппаратуры, сократить сроки и стоимость проектирования, повысить степень использования стандартизированных и унифицированных элементов конструкции, автоматизировать и механизировать процессы изготовления, контроля и ремонта аппаратуры. Конструкцию ячеек, блоков, шкафов и т.д. с применением ИС и МСБ следует выполнять с учетом требований технологичности, т.е. с использованием прогрессивных методов изготовления и ремонта аппаратуры при высокой степени готовности аппаратуры к внедрению в серийное производство. Степень готовности аппаратуры в процессе эксплуатации характеризуемся коэффициентом готовности, который в свою очередь зависит от достигнутого уровня технологичности ячейки.

Выбор варианта конструкции ячейки в основном определяется тактико-техническими требованиями на аппаратуру, требованием обеспечения заданного показателя технологичности изделия и действующих нормативно-технических документов на ее проектирование и изготовление. По своему конструктивному назначению ячейки, как правило, предназначены для установки в блоки, поэтому выбор варианта конструктивного исполнения ячейки характеризуется вариантом конструкции блока. Существуют три основных варианта конструкции блоков: разъемная, книжная и кассетная. Наиболее широкое применение при проектировании РЗА третьего поколения нашла разъемная конструкция блоков и наименьшее из-за низкой технологичности - кассетная.

Книжная конструкция применяется в основном для аппаратуры, типовой элемент замены которой не ниже уровня блока. Это обусловливается большим временем, необходимым для замены чейки, так как межблочная электрическая коммутация выполняется с помощью паяного, трудно демонтируемого соединения механических элементов (рамки, крепеж, планки и т.п.); Н_к - высота элемента крепления «ли элемента контроля ячейки; /г_я - шаг установки ячейки в блоке; Н_я - высота ячейки при tf_K<#_c; #_Я+Д#к - высота ячейки при Н_К>Н_С; Н_ятах - наибольшее значение высоты ячейки с учетом допусков АН_К.

Следует отметить, что в процессе проектирования ячеек возникает задача рационального выбора конструкции ячейки при различных вариантах компоновки конструктивно-технологических зон для получения минимальной высоты ячейки. Однако в большинстве случаев не предъявляется особо жестких требований к объему, и решение данной задачу начинают с выбора типа печатных плат (двусторонних или многослойных), что порой является наиболее важным в процессе проектирования и производства аппаратуры. Соответственно выбранный метод изготовления печатных плат характеризует вариант установки элементов - односторонний и двусторонний. Односторонняя установка элементов также определяется элементной базой, т.е. конструкцией корпуса с планарными или штырьковыми выводами.

Очевидно, что при применении ИС или МСБ в корпусах со штырьковыми выводами можно устанавливать их только с одной стороны. В свою очередь, ИС и МСБ в корпусах с планарными выводами можно помещать как с одной, так и с двух сторон печатной платы ячейки.

Описанные варианты компоновки конструктивно-технологических зон ячеек относятся как к разъемным, так и к книжным конструкциям. Однако при проектировании ячеек необходимо точно определить отношение любых дополнительных конструктивных элементов к соответствующей зоне.

2. Выбор типоразмеров печатных плат базовых несущих конструкций первого уровня

Важным этапом в проектировании модулей первого уровня является выбор их типоразмеров. Известно, что он прежде всего определяется тактико-техническими требованиями на аппаратуру, которые задают основные условия эксплуатации и габариты изделия.

Однако, в свою очередь, выбор метода изготовления печатных плат и технологическое оборудование их производства накладывают свои ограничения на типоразмеры печатных плат, что в конечном итоге ставит перед разработчиком очень сложную задачу.

Поэтому для упрощения этой задачи разработана и широко применяется нормативно-техническая документация, регламентирующая типоразмеры печатных плат, например ГОСТ 10317-79 и ОСТ 4ГО.410.224-84. Кроме того, использование ее способствует унификации типоразмеров печатных плат и конструкций ячеек.

Для межвидовой унификации модулей для различных видов аппаратуры широко используют типоразмеры печатных плат, представленные в ОСТ 4ГО.410.224-84. Выбор необходимого типоразмера печатных плат ячеек должен определяться в первую очередь видом аппаратуры, вариантом конструкции ячейки с учетом конструкции блока и обеспечения условий эксплуатации.

Анализируя типоразмеры печатных плат, следует отметить, что размеры 1170X200 и 360X200 мм для трехуровневой компоновки - «ячейка - блок - шкаф», а также 170X280 мм для двухуровневой - «ячейка - шкаф» наиболее широко применяются во всех видах аппаратуры.

Поэтому при модульном построении аппаратуры и при условии, что модулем является функционально и конструктивно законченная ячейка широкого применения, необходимо использовать только эти типоразмеры печатных плат.

3. Правила установки корпусных микросхем и микросборок на печатные платы

Под компоновкой ИС и МСБ следует понимать их взаимную ориентацию в рабочей зоне S печатной платы ячейки. Как уже отмечалось, компоновка ИС и МСБ может осуществляться как с одной стороны печатной платы, так и с двух. Важную роль при компоновке ИС и МСБ на печатной плате ячейки играет способ установки (ОСТ 4010.030-81), который должен обеспечивать: надежное механическое крепление и электрическое соединение выводов с контактными площадками печатной платы ячейки; возможность автоматизации и механизации сборки ячейки; возможность обеспечения демонтажа ИС и МСБ в процессе изготовления и настройки ячейки.

В зависимости от конструктивного исполнения корпуса ИС или МСБ они могут устанавливаться на печатные платы ячейки с формовкой выводов по ОСТ 4010.030-81. Формовка выводов производится для увеличения расстояния между выводами, фиксации расстояния от корпуса до печатной платы, совмещения выводов с узлами координатной сетки печатной платы и обеспечения плотного прилегания плоского вывода к контактным площадкам при его электрическом присоединении.

Поэтому необходимость введения дополнительных креплений может повлиять на установочную высоту элементов и соответственно на выбор варианта их компоновки. Таким же образом увеличение установочных размеров элементов и в конечном итоге увеличение высоты ячейки Н_я может происходить при введении в конструкцию теплоотводящих шин.

Микросхемы и МСБ в однотипных конструкциях на печатных платах ячейки, как правило, располагаются рядами.

При наличии нескольких типов корпусов их желательно компоновать группами, включающими в себя только один тип корпуса. Это позволяет применять механизированные и автоматизированные методы сборки ячеек.

Установка и крепление ИС и МСБ должны обеспечивать свободный доступ к любой из них и возможность замены.

Шаг установки кратен основному шагу координатной сетки печатных плат.

4. Элементы электрических соединений и фиксации

Электрические соединения ячеек в блоках (внутриблочная электрическая коммутация) выполняются с помощью разъемных электрических соединителей, объединительных плат, переходных контактов, гибких шлейфов, плоских кабелей и монтажных проводов. Элементы электрических соединений ячеек выбирают в зависимости от эксплуатационных требований варианта конструкции ячейки (разъемная, книжная), конструктивно-технологических требований, габаритных размеров соединителя, а также от необходимого числа контактов в электрическом соединителе.

Следует отметить, что выбор типа электрического соединителя всегда должен осуществляться с учетом рекомендаций нормативно-технической документации, которая предусматривает и обеспечивает соответствующий уровень унификации изделия в целом. При выборе соединителя необходимо резервировать не менее 10% необходимого числа контактов.

Наиболее широкое применение получили разъемные электрические соединители, применяемые в блоках разъемной конструкции. Они обеспечивают достаточно надежное электрическое соединение и многосъемность ячеек в блоке. Соединительные платы и переходные контакты используются в ячейках и кассетах, к которым предъявляются требования обеспечения высокой надежности электрических соединений малых габаритов и массы и не предъявляется требованием легкосъемности. Гибкие шлейфы и плоские кабели, применяющиеся для внутриблочного монтажа в блоках книжной конструкции, позволяют более рационально использовать объем блока, уменьшить его габариты и массу, снизить трудоемкость монтажа путем применения групповых методов пайки и повысить надежность электрических соединений.

Как уже отмечалось, наиболее широкое применение для внутри-блочной электрической коммутации РЭА третьего поколения имеют электрические малогабаритные соединители врубного типа (разъемы). Рекомендуемые для установки в ячейки малогабаритные электрические соединители приведены в ОСТ 4ГО.410.224-84.

В зависимости от выбранного метода выполняемого электрического монтажа между ячейками (коммутационная печатная плата, струнный монтаж, накрутка и т.п.) необходимо правильно определить сочетания вилок и розеток.

Следует отметить, что из числа рекомендуемых типов электрических соединителей целесообразнее всего применять электрические соединители типов СНП34 и ГРПП72, обладающие необходимым числом выходных контактов и надежным электрическим контактом в контактных парах. Кроме того, они удовлетворяют требованиям эксплуатации различных видов аппаратуры и их применение обеспечивает межвидовую унификацию аппаратуры на уровне ячейки.

Элементы крепления и фиксации являются неотъемлемой частью БНК - От правильности их выбора и места установки зависит целостность конструкции при эксплуатации. Поэтому для повышения механической прочности конструкции ячеек навесные ЭРЭ прикрепляют держателями либо приклеивают или прилакировывают. Для еще большего повышения прочности конструкции к механическим воздействиям (вибрации, удары) вводят дополнительные элементы крепления и фиксации ячеек, которые обеспечивают надежное крепление и фиксацию ячеек в блоке, исключают самопроизвольное взаимное перемещение сопрягаемых элементов и предохраняют аппаратуру от механических воздействий. К элементам крепления и фиксации ячеек следует отнести различные планки, угольники, рамки, штыри-ловители, скобы, стяжные винты и т.п.

Для безрамочных ячеек разъемной конструкции основным элементом крепления является планка, которая устанавливается на печатную плату ячейки с противоположной стороны установки электрического соединителя. Такие планки предназначены для индивидуального крепления ячеек в блоке и выполняются в различных конструктивных модификациях, что диктуется требованием легкосъемности ячеек и видами аппаратуры. На рис. 6.8 показана планка с винтовым креплением, выполненная из алюминиевого сплава Ал.9. Планка может применяться в достаточно жестких условиях эксплуатации. На рис. 1 показана пластмассовая планка с винтовым креплением. Планки, показанные на рис. 6.8, 6.9, используются для установки на печатную плату ячейки со стороной 170 мм. Планки имеют единые установочные и присоединительные размеры и предназначены для применения в аппаратуре, к которой предъявляются повышенные требования к механическим воздействиям.

В ячейках каркасной (рамочной) конструкции роль элемента крепления выполняет рамка, которая создает необходимую жесткость конструкции ячейки и одновременно позволяет крепить ячейки в блоке. Наиболее широкое применение рамочные конструкции находят ь ячейках и кассетах книжных конструкций.

Крепление печатных плат ячеек каркасной конструкции осуществляется с помощью винтов, заклепок или резьбовых втулок. Печатные платы в ячейках прикрепляют по углам не менее чем в четырех точках.

При необходимости вводятся дополнительные точки крепления в средней части платы. Расположение элементов крепления и их число определяются требованиями механической прочности, предъявляемой к аппаратуре. На рис. 1 показано индивидуальное крепление каркасной ячейки разъемной конструкции, а на рис. 2 - групповое крепление ячеек в блоках книжной конструкции. Элементы фиксации ячеек предназначены для ориентирования ячеек в блоках разъемной конструкции и, как правило, выполняются в виде штырей-ловителей и направляющих.

Для фиксации каркасных ячеек разъемной конструкции, оканчивающихся электрическими соединителями врубного типа, со стороны соединителя устанавливаются фиксирующие штыри-ловители, предназначенные для облегчения совмещения ячейки с ответной частью электрического соединителя.

Штыри выполняются плавающим или с жестким закреплением. Штыри следует располагать на максимальном расстоянии друг от друга.

Элементы контроля ячеек предназначены для контроля и проверки работоспособности ячейки в процессе настройки, эксплуатации и профилактического ремонта.

Как правило, элементы контроля устанавливают на краях печатных плат ячеек или в местах, легко доступных для подключения необходимых контрольных приборов. Помимо групповых контрольных контактов на планке применяются индивидуальные контрольные контакты, контрольные гнезда и пистоны для контроля.

5. Базовые несущие конструкции ячеек

Современная РЭА в зависимости от условий эксплуатации и предъявляемых к ней тактико-технических требований может проектироваться на ячейках различного конструктивного исполнения.

Однако выбор и применение в аппаратуре массового изготовления топ или другой конструкции должен строго соответствовать требованиям действующей нормативно-технической документации, которая в свою очередь учитывает уровень унификации и стандартизации аппаратуры и ее составных частей, что в конечном итоге влияет на технологическую подготовку производства и серийное освоение нового изделия.

Приведем базовые конструкции ячеек, которые предусматривают межвидовую унификацию для различных видов аппаратуры. Чтобы осуществить правильный выбор БНК ячейки, установлена условная классификация. В случае принадлежности БНК1 к определенной аппаратуре, в условной классификации вместо «У - унифицированная» проставляется обозначение соответствующего вида аппаратуры.